基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的時(shí)間信息共享技術(shù)研究

　　引言

　　電子時(shí)間引信系統(tǒng)從火控計(jì)算單元提取的射彈飛行時(shí)間數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)可靠地傳送給編程裝置，為保證時(shí)間信息傳送的準(zhǔn)確、及時(shí)，我們采用了CAN總線(xiàn)進(jìn)行時(shí)間信息的傳輸。CAN總線(xiàn)具有突出的可靠性和實(shí)時(shí)性，適合在復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下工作，基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的時(shí)間信息數(shù)據(jù)接口，可充分保證時(shí)間信息傳送，并為電子時(shí)間引信系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，便于應(yīng)用在其它防空武器系統(tǒng)的嵌入式改造或未來(lái)數(shù)字化防空武器系統(tǒng)中。

　　CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)概述

　　CAN(Controller Area Network)總線(xiàn)誕生和發(fā)展于汽車(chē)工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域，是兩線(xiàn)制“多主對(duì)等”總線(xiàn)型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，能有效地支持具有很高安全等級(jí)的分布實(shí)時(shí)控制，是唯一有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)(Field Bus)，目前發(fā)展到CAN2.0B規(guī)范，應(yīng)用范圍極為廣泛。

　　CAN總線(xiàn)用“顯性(Dominant)”和“隱性(Recessive)”兩個(gè)互補(bǔ)的邏輯值表示“0”和“1”，總線(xiàn)接口上同時(shí)發(fā)送顯性和隱性位時(shí)，總線(xiàn)值是顯性，實(shí)現(xiàn)邏輯與。CAN總線(xiàn)的位速率與其傳輸距離有關(guān)，傳輸距離在40m以?xún)?nèi)速率最大可達(dá)1Mbps，最大傳輸距離10km上的位速率為5kbps。根據(jù)ISO/OSI參考模型，CAN的層次劃分為：(1)數(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer)，包括邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制子層(MAC)；(2)物理層(Physical Layer)。

　　CAN總線(xiàn)的信息以幾個(gè)不同的固定格式的報(bào)文發(fā)送，報(bào)文傳輸有四種不同類(lèi)型的幀：數(shù)據(jù)幀(Data Frame)、遠(yuǎn)程幀(Remote Frame)、錯(cuò)誤幀(Error Frame)和過(guò)載幀(Overload Frame)，數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀可以使用標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀2種不同格式，不同之處在于標(biāo)識(shí)符域的長(zhǎng)度分別為11位和29位。CAN的幀(Frame)由不同的位域(Bit Field)組成，以最重要的數(shù)據(jù)幀為例介紹幀的結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)幀包括7個(gè)不同的位域：幀起始、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、CRC域、應(yīng)答域和幀結(jié)尾(如圖1所示)。

　　為了獲得最安全的數(shù)據(jù)發(fā)送，CAN總線(xiàn)采取強(qiáng)有力的措施來(lái)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)和處理。報(bào)文傳輸過(guò)程中有5種錯(cuò)誤類(lèi)型：位錯(cuò)誤、填充錯(cuò)誤、CRC錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤和應(yīng)答錯(cuò)誤，對(duì)于故障的界定有3種狀態(tài)：“錯(cuò)誤激活”、“錯(cuò)誤認(rèn)可”和“總線(xiàn)關(guān)閉”。
  
　　智能節(jié)點(diǎn)接口技術(shù)

　　CAN總線(xiàn)采用總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑢?shí)際應(yīng)用中也可采用具有支線(xiàn)的“樹(shù)型拓?fù)?rdquo;。節(jié)點(diǎn)是CAN網(wǎng)絡(luò)上信息的起點(diǎn)和終點(diǎn)，智能節(jié)點(diǎn)是指具有微處理器的節(jié)點(diǎn)，它在可靠性、兼容性、信息處理能力等方面具有優(yōu)勢(shì)。

　　智能節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)包括CAN控制芯片與MCU的連接和CAN控制芯片與PC機(jī)的連接。典型的智能節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)為“MCU+CAN控制器+CAN驅(qū)動(dòng)器”，具有CAN模塊的微控制器（MCU）將前2者合二為一，如PIC18F458、MC68HC908GZ16、P8Xc591，操作使用更加方便。PC機(jī)上的智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)多采用CAN適配卡，由ISA接口、雙口RAM、嵌入式微處理器、CAN控制器、CAN驅(qū)動(dòng)器組成。

　　智能節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容為CAN節(jié)點(diǎn)初始化、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收，還包括CAN總線(xiàn)錯(cuò)誤處理、總線(xiàn)關(guān)閉處理、接收濾波處理、波特率參數(shù)設(shè)置和自動(dòng)檢測(cè)以及CAN總線(xiàn)通信距離和節(jié)點(diǎn)數(shù)的計(jì)算。

　　采用PIC18F458微控制器設(shè)計(jì)的智能節(jié)點(diǎn)如圖2所示。
  
　　時(shí)間提取單元和編程裝置的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　時(shí)間提取單元和編程裝置是電子時(shí)間引信系統(tǒng)的重要組成部分，兩者協(xié)調(diào)工作完成射彈飛行時(shí)間的隔離提取、數(shù)據(jù)共享和編碼發(fā)送，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上采用“功能電路+數(shù)字接口”的方案，作為節(jié)點(diǎn)連接在CAN總線(xiàn)上。兩者的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分考慮與現(xiàn)有武器裝備的機(jī)械兼容性和電磁兼容性，不能影響現(xiàn)有裝備的結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)。

　　時(shí)間提取單元的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　時(shí)間提取單元的任務(wù)功能是從武器系統(tǒng)火控計(jì)算單元中提取射彈飛行時(shí)間，并將其發(fā)送到CAN總線(xiàn)上。其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由射彈飛行時(shí)間數(shù)字量隔離提取電路、射彈飛行時(shí)間模擬量隔離提取電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、控制信號(hào)(開(kāi)關(guān)量)隔離采集電路、數(shù)字接口、隔離型DC/DC電源模塊等部份組成，可以提取16位的射彈飛行時(shí)間數(shù)字量或1路射彈飛行時(shí)間模擬量、8位控制信號(hào)，輸出為CAN總線(xiàn)信號(hào)，使用雙絞線(xiàn)在1km的范圍內(nèi)得到高達(dá)70kbps的傳輸速率。光電隔離電路采用雙光耦構(gòu)成電流串聯(lián)負(fù)反饋電路實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的線(xiàn)性隔離傳輸，即用兩個(gè)相同型號(hào)的光耦輸入端串聯(lián)，組成差分負(fù)反饋，來(lái)補(bǔ)償光耦的非線(xiàn)性電流傳輸系數(shù)，通常使用雙光耦芯片可以得到較好的一致性，使電路傳輸特性更好。典型的雙光耦芯片(如HCNR200)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用電路如圖4所示。A/D轉(zhuǎn)換使用ADC0809芯片完成，隔離型DC/DC電壓變換器選用愛(ài)立信的電源模塊PKV3211PI，其輸入電壓范圍為9V~36V，輸出電壓5V，輸出功率2.5W，模塊化設(shè)計(jì)，小體積磚形封裝，可以滿(mǎn)足要求。

　　視火控計(jì)算單元和提取位置的不同，時(shí)間提取單元的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可采用轉(zhuǎn)接頭或總線(xiàn)卡等的不同形式。對(duì)于向量式瞄準(zhǔn)具，將時(shí)間提取單元電路板與射彈飛行時(shí)間求取電路板通過(guò)接插件直接連接，共同放置于安裝盒內(nèi)；從火控計(jì)算單元內(nèi)部連接件上提取數(shù)據(jù)時(shí)，使用相同型號(hào)的連接件(包括公頭和母頭)作為附加裝置，內(nèi)部將兩端對(duì)應(yīng)位置連線(xiàn)，從連線(xiàn)上提取所需數(shù)據(jù)信號(hào)給光耦電路；火控計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線(xiàn)提取數(shù)據(jù)，將電路設(shè)計(jì)成接口卡的形式，直接插在計(jì)算機(jī)主板空余的插槽上。

　　編程裝置的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　編程裝置的任務(wù)功能是從CAN總線(xiàn)上獲取射彈飛行時(shí)間數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，并通過(guò)射頻模塊轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)發(fā)送。其電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，由數(shù)字接口、微控制器、無(wú)線(xiàn)射頻模塊和監(jiān)控電路組成。微控制器AT89S51為電路的核心，完成數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)編碼、射頻模塊控制、數(shù)據(jù)串行發(fā)送等諸多功能，大大簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)；監(jiān)控電路采用X25045，監(jiān)控微控制器的工作狀態(tài)，防止程序“跑飛”；數(shù)字接口與時(shí)間提取單元相同；無(wú)線(xiàn)射頻模塊采用原廠(chǎng)提供的標(biāo)準(zhǔn)電路板(設(shè)置為發(fā)送狀態(tài))，其天線(xiàn)為腐蝕在PCB板上的銅線(xiàn)，在天線(xiàn)外2~20m的范圍形成射頻編程窗口。

　　編程裝置電路板安裝在長(zhǎng)方體形盒里，外部通過(guò)接插件分別與CAN總線(xiàn)(兩芯插頭和插座)和無(wú)線(xiàn)射頻模塊(7芯的插頭和插座)相連接。整個(gè)編程裝置盒固定于火炮炮箱上方，距炮口約2.5m的位置，且將射頻模塊PCB板有天線(xiàn)一側(cè)朝向管身方向，以便獲得較好的射頻性能。

　　參考文獻(xiàn)：

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